水泥土在水閘基坑管涌破壞中的應用

劉 剛 ，夏慶云 ，吳文華 ，金愛妹

（1.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

水泥土是把一定數量的硅酸鹽水泥、土或骨料，加水拌合后形成的一種地基材料。水泥土目前廣泛應用于地基處理、路基改良、渠道防滲、基坑圍護、軟土加固等。目前對水泥土性能及其在工程中的應用研究比較廣泛。殷仕穎對過去學者關于水泥土強度的影響因素及其作用機理的研究內容進行部分總結，提出水泥土強度的不同環境因素的影響規律，對增強水泥土強度具有指導意義[1]。芮凱軍等選取3種土樣，按不同的水泥摻入比，研究不同土質水泥土無側限抗壓強度和滲透系數的差異[2]。徐海波等通過分析和歸納近年來水泥土研究成果，總結水泥土的滲透和強度特性，提出水泥摻入比是影響水泥土滲透和強度的主要因素，滲透系數隨摻入比或齡期的增加而減小，并趨于一定值[3]。龔曉南等對水泥土復合地基和上部結構共同作用分析，復合地基優化設計和按沉降控制設計，復合地基工程應用及實例進行研究[4]。

本文以浙江省某水閘工程為例，對水泥土在水閘基坑管涌破壞中的應用措施及處理效果進行分析論證。

2 水泥土的特性

2.1 水泥土的材料

除有機土、高塑性的黏土和反應不良的砂質土外，幾乎一切種類的土都可用作水泥土。最好采用粒狀土，因其比細粒土更易于弄碎和拌和，需用的水泥量也最少。就黏土來說，細粒土一般需要較多的水泥來滿足硬化，通常也較難弄碎進行適當的拌和。水泥土的材料有水泥、外加劑、水等。

（1）水泥。水泥土對水泥的需要量取決于土的種類和性能。水泥的用量以干重的百分率表示，4.0% ～ 20.0%不等。一般土中的粘性部分越大，對水泥的需要量也越大。

（2）外加劑。水泥土常用的外加劑主要有三乙醇胺、硫酸鹽、粉煤灰、納米硅、纖維和水玻璃等，不同種類的外加劑水泥土的力學性質有所不同。

（3）水。水泥土的含水率通常為烘干水泥土重量的10.0% ～ 13.0%。飲用水或其他比較干凈的水，酸、堿或有機質的含量未達到有害程度的水均可使用。氯化物有利于水泥土的早期強度。

2.2 水泥土的強度特性

水泥土強度增加的主要原因是產生的水化物充填土顆粒之間的孔隙，增加顆粒之間的粘結力；同時膠體材料粘在土體顆粒表面，增大顆粒的接觸面積，使凝聚分量增大。因此，水泥土內摩擦角和粘聚力相對于土體材料增大。

水泥土的強度指標，以水泥土試樣的無側限抗壓強度fcu來表征。影響水泥土強度的因素很多，主要有水泥摻入量、齡期、水泥的標號、礦物成分、細度、土體的含水率、有機質含量、圍壓、溫度及外加劑等[5]。

無側限抗壓強度與水泥摻入比關系曲線見圖1。水泥土的抗壓強度隨水泥摻入比的增加而增大，如不摻入外加劑的試樣，齡期同為28 d，在水泥摻入比分別為7.0%、12.0%和16.8%時，水泥土強度比為1∶1.99∶4.27；當水泥摻入比為7.0% ～ 12.0%時，水泥土90 d齡期抗壓強度幾乎隨水泥摻入比的增加而呈正比增長；當水泥摻入比為12.0% ～16.8%時，抗壓強度的增長比例則明顯高于水泥摻入比的增加比例，水泥摻入比較高時，其強度增長幅度也較大。

圖1 無側限抗壓強度與水泥摻入比關系曲線圖

對水泥土無側限抗壓強度與水泥摻入比的關系曲線，按二次拋物線進行回歸分析，即

式中：fcu為無側限抗壓強度，MPa；αw為水泥滲入比，%；A，B，C為回歸系數。

擬合結果表明：不管齡期多長及是否添加外加劑，各曲線擬合相關系數均在0.982以上，說明二次拋物線方程表達水泥無側限抗壓強度與水泥摻入比之間的關系是合適的。

2.3 水泥土的滲透特性

水泥與土中水發生水解反應，生成氫氧化鈣、含水硅酸鈣、含水鋁酸鈣、含水鐵酸鈣和水化硫鋁酸鈣等細顆粒膠體物質，部分顆粒填充于土體顆粒間，減小顆粒間的孔隙，甚至阻斷連通的孔隙通道，使水泥土滲透系數減小。

水泥土的滲透系數與水泥摻入比有明顯關系，在滿足滲透性要求的情況下，10.0%左右的水泥摻入比是最經濟的，繼續提高水泥摻入比并不能有效地減小水泥土的滲透系數。

在黏性土中將粉煤灰、石灰與水泥一起摻入形成水泥二灰土可有效減小水泥土的滲透系數，達到減料增效節約的目的；在粉土中將粉煤灰與水泥一起摻入可有效減小水泥土的滲透系數[6-8]。

3 工程實例

3.1 工程概況

浙江省某涵閘建筑物等級為3級，設計流量21.4 m3/s。尺寸為3.00 m×4.20 m（凈寬×凈高）。地基由表層向下依次為：Ⅱ2粉質黏土厚約0.70 m，中壓縮性，屬中等透水性，易沖刷破壞；Ⅱ3粉土厚約1.00 m，滲透系數較大，易產生滲透破壞；Ⅲ砂礫石地基厚約5.30 m，強度較高，厚度大，分布穩定，屬中等 ～ 強透水性。土體物理參數見表1。

表1 土體物理參數表

外河側常水位47.00 m，基坑設計底高程44.70 m。施工單位采用黏性土（黃土）圍堰進行施工截流，未對圍堰基礎采取豎向防滲措施，導致基坑側發生管涌破壞，基坑大量進水，施工無法進行（見圖2）。

圖2 水閘基坑管涌剖面圖

大范圍管涌發生后，參建單位對事故原因進行分析。主要原因是基坑內外側水位差達到3.10 m，地基土層以砂卵石為主，滲透坡降較大，砂卵石土層顆粒級配差，導致細顆粒從粗顆?？p隙中被滲水帶出，發生管涌。由于發生管涌破壞，基坑地基承載力下降嚴重，施工人員很容易陷入地基 0.40 ～ 0.50 m。

3.2 處理措施

本項目工期緊，大范圍管涌發生后，亟需解決干地施工和提高地基承載力的問題。而外河側常水位由于功能需要，長期維持在47.00 m，無法降低外河側水位再施工，需要考慮其他方案。

綜合考慮降低措施成本、處理效果等，本次采取的工程措施為：①水平防滲措施：水閘基礎采用水泥土置換壓實（黃土+20.0%水泥+速凝劑），換填深度不小于1.70 m。②垂直防滲措施：水閘齒槽位置水泥土向下延伸1.50 m，延長滲徑（見圖3）。

圖3 水閘基坑地基處理剖面圖

3.3 施工過程

施工過程：①岸上制備水泥土：黃土+20.0%C30水泥+速凝劑，拌和均勻。②圍堰基坑側坡腳設置1.00 m厚土袋壓重。③水下開挖換填區域土方。④將水泥土迅速填入開挖坑，回填壓實。⑤待地基承載力滿足要求后澆筑基礎，在基礎原管涌位置預留φ5PVC埋管，以便后期必要時對地基進行灌漿處理。

圖4 水閘基坑水泥土處理后效果圖

3.4 處理效果

水閘地基通過水泥土處理約7 d后，取得明顯的防滲和提高地基承載力的效果。水泥土處理后地基管涌數量明顯減少，7 d后水閘地基由原先10多處管涌減少至3處，且管涌滲流量明顯減??；7 d后的地基承載力已由80 kPa提高至600 kPa，地基承載力明顯提高，滿足閘基設計承載力120 kPa。同時在基坑一側設排水溝，通過水泵排除基坑滲水。水閘基坑水泥土處理效果見圖4。

根據實驗室試驗成果[9]，不同齡期水泥土抗壓強度隨水泥摻量的變化見圖5 ～ 7。水泥含量20.0%的水泥土，7 d齡期抗壓強度達到1.2 MPa左右；隨著時間的增長，水泥土的強度不斷增加；28 d齡期水泥土抗壓強度達到2.2 MPa左右，其28 d強度比7 d強度增長了83.3%；90 d齡期水泥土抗壓強度達到3.2 MPa左右，其90 d強度比28 d強度增長了45.5%。本工程水泥土7 d齡期抗壓強度達到600 kPa，明顯小于實驗室抗壓強度值1.2 MPa，分析其原因，主要由于本工程地基土質與文獻[9]中試驗的土質條件不同，同時現場施工條件不如室內條件，土體水泥摻合的均勻程度以及養護條件等均可能影響土體的強度增長。

圖5 7 d齡期水泥土抗壓強度隨水泥摻量的變化圖

圖6 28 d齡期水泥土抗壓強度隨水泥摻量的變化圖

圖7 90 d齡期水泥土抗壓強度隨水泥摻量的變化圖

經水泥土處理后，水閘地基局部仍有少量管涌。經分析，主要是由于土層不均勻形成。7 d后基礎管涌保持在置換初期產生的管涌數量，后期沒有新的管涌產生。由于7 d后水泥土比較堅實，可以針對仍存在的管涌進行水泥封堵處理，并在澆筑閘底板過程中在管涌位置預埋φ5PVC管及地基沉降監測設備，在必要時進行基礎灌漿。

經后期觀測，水閘安全穩定運行。

4 結 語

（1）水泥土置換可有效的減小地基滲透性，提高土體的抗滲性能。水泥與土中水發生水解反應生成細顆粒膠體物質，填充顆粒間的孔隙，加強土顆粒之間的聯系，甚至阻斷連通的孔隙通道，本次采用水泥土處理管涌地基，以較小的代價取得良好的效果。

（2）水泥土置換還可以有效提高地基承載力，其強度受水泥用量、齡期、外加劑等因素的影響較大，當水泥摻量達到20.0%時，采用水泥土進行軟弱地基處理可取得比較理想的強度提升效果。

（3）本工程水閘基坑屬于低水頭滲透破壞，水泥土置換取得良好效果，可為類似工程提供參考。但對于高水頭的大型基坑滲透破壞，采用垂直截滲措施安全性更能夠保證。